基于新型非PWM功率单元的完美无谐波高压变频器应用设计

1 引言

随着变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛应用。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，既可满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，又可节约能源，降低生产成本。自1994年美国罗宾康公司推出第一代完美无谐波高压变频器以来，由于其性能好、可靠性高、维修简单等优点，在欧美、日本、中国等市场一直处于领先地位，完美无谐波高压变频器较之普通高压变频器，无论从变频器控制性能、可靠性保证、制造工艺等方面都提高了很大的一个档次。但是，到目前为止，这种完美高压变频器的功率单元的整流部分采用单向二极管串联，逆变器部分输出采用多电平移相式pwm技术，每个功率单元脉冲控制都是采用pwm控制，逆变器的控制脉冲波形，由参考正弦波和三角波比较产生。为了进一步改进高压变频器的节能与降低电网污染及电磁干扰等现象，本文阐述了一种新型功率单元，即非pwm功率单元。非pwm并非真的不是pwm原理，只是把用于产生脉冲波形的三角载波，换成了频率不变，幅值变化的矩形波。为了引出新型功率单元，我们先从简单地对普通完美无谐波高压变频器进行介绍入手。

2 完美无谐波高压变频器原理

完美无谐波高压变频器采用若干个变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。

2.1 功率单元串联多电平结构

如图1所示，变频器共有15个功率单元，从a1～a5、b1～b5、c1～c5。每个功率单元输出电压为690v，功率单元本身结构完全相同。6kv或10kv 电网电压经过副边多重化的隔离变压器给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交pwm

电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6kv输出电压等级为例，每相由5个额定电压为690v的功率单元串联而成，输出相电压达3450v，线电压达6kv左右，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kv电压等级的变频器，就是36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的功率因数可达到0.95以上。

2.2 传统pwm功率单元

传统的pwm功率单元电路结构如图2所示。

功率单元为三相输入单相输出的交－直－交pwm电压源型变频器，移相变压器的副边输出三相交流电经功率单元的三相二极管整流后，经滤波电容形成平直的直流电，再经过4个igbt构成的h型单相逆变桥，实行pwm控制。逆变器输出采用多电平移相式pwm技术，同一相的功率单元，输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平pwm，叠加以后输出电压的等效开关频率和电平数大大增加，输出电压非常接近正弦波。每个功率单元脉冲控制都是采用spwm控制，逆变器的控制脉冲波形，由参考正弦波和三角波比较产生。

3 非pwm（npwm）功率单元

3.1 非pwm功率单元的电路及特点

如上所述，普通pwm功率单元已经很好的完成了接近正弦波的输出，但是这种pwm方式还是无法避免电网污染和电磁干扰现象。综合过去知识沉淀，在普通功率单元结构的基础上提出了独特的一种功率单元实现，其结构如图3所示。

非pwm功率单元由如下两部分构成：输入单元部分由晶闸管三相可控整流桥所组成，输出单元部分由igbt构成的逆变桥所组成，其输出电压状态为1，0，-1。如果每相由五个单元叠加而成那么就可以产生11种不同的电压等级，由此，完美无谐波系统变频就可以合成更加完美的正弦输出电压波形。

该功率单元结构的特点是：

（1） 输出电压的幅值的调节是由反并联可逆逻辑无环流可控整流电路来实现。（ud=2.34u2cosα）

（2） 输出电压的频率的变化是由逆变单元模块来实现的，整个系统将调压和调频分开来进行，但变频又变压的原理保持不变。

（3） 反并联可逆逻辑无环流整流侧可自动实现能量回馈，达到节省能源的目的。

（4）由于输出逆变模块的开关频率不会高于输出频率，因此避免了传统的pwm方式所造成的电网污染和电磁干扰现象，这将预示着一种新型的节能绿色高压变频器的诞生－非pwm（npwm）功率单元高压变频器。

采用反并联可逆逻辑无环流整流，不但可以很好的完成整流功能，还能实现能量回馈，把多余的能量回送到电网，节省了能源消耗。由于这种无环流可逆系统采用控制原则是两组桥在任意时刻只有一组投入工作，另一组关断，所以在两组桥之间不存在环流。变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，因此称为逻辑无环流系统。

矩形波调制原理与原来三角波调制类似，在正弦波作调制波的情况下，把原来的三角波换成了矩形波做载波。以一个功率单元为例，用矩形波去截同频率的正弦波，当正弦波的幅值大于矩形波幅值时，使之有电压输出，其余时间内使输出为零，即可得到一个功率单元的输出。用9个单元的输出相叠加，即可得到完美接近正弦波的电压输出。

输入侧隔离变压器二次绕组经过移相降压，为每个功率单元提供独立电源，对6kv而言相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，极大地抑制了网侧谐波的产生；变频器引起的网侧谐波含量可满足《电能质量公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器，并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于0.95，无需功率因数补偿电容；采用矩形波做载波，大大削弱了输出谐波含量，输出波形接近完美正弦波，无需输出滤波器装置，就可使总谐波含量（thd）降低到2%以下。

采用反并联电路虽然增加了晶闸管的数量。看似提高了成本，但是由于逆变部分采用与正弦波同频率的矩形波做载波，大大降低了管子的频率，在批量生产的情况下，又可以用低频开关管来替代高价的igbt，因此降低了成本；由于无高频，省略了高频保护电路，除了可以减小电网污染以外，还降低了成本。所以这种设计不但可以弥补由增加晶闸管造成的成本增加，还可以进一步降低总成本。

3.2 非pwm功率单元的计算机仿真

普通高压变频器中每个单元输出的pwm波的调制机理是由正弦波作信号波，三角波作载波调制产生的。而非pwm功率的实现思想则迥然不同，在每个单元采用频率不变，幅值变化的矩形波作载波，来调制输出所需要的非pwm波。

我们对额定输出电压为10kv的变频器进行了计算机仿真，每相由九个额定电压为650v的功率单元串联而成，输出相电压最高可达5850v，线电压可达10kv左右。非pwm功率单元的仿真电路如图4所示，仿真结果如图5所示。

由仿真结果可以看出，这种新型非pwm功率单元可以输出较之普通pwm功率单元更加完美的正弦波形。

3.3 非pwm功率单元的实现方法

控制系统中采用数字信号处理器dsp。dsp是一种具有特殊结构的微处理器，dsp芯片的内部采用程序区和数据区分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的dsp指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。系统控制电路中的主控部件采用tms320lf2407dsp芯片，多片dsp协同作业，通过控制器局域网（can）进行相互间的通讯联系，完成控制参数的传递，从而实现移相式npwm脉冲的触发，并且能够对各种故障中断做出及时地处理。

以额定输出电压为10kv的高压变频器为例，整个控制系统的实现方法如下：

系统采用的是主从多cpu控制系统。控制电路组成如图6所示。

假设实际主电路的每相为5单元串联结构，整个电路共有15个功率单元。对于各相中同一位置的3个功率单元，采用1片dsp进行控制，这样15个功率单元可以由5片dsp构成5个对称的子系统。再使用1片dsp作为主控芯片，对控制信号进行采样和运算以及必要的信息处理。对于每个子系统中的三个功率单元使用相同的载波信号，正弦调制波信号互差120°电角度;每相的5个功率单元共用1个正弦调制波信号。子系统时钟由主控单元给出，通过光纤传送，从而保证整个系统的时钟一致，不至于发生漂移。子控芯片根据给定的步长参数可以确定正弦调制波的频率，从而可以决定输出电压的频率。子控制系统同时还要对功率单元进行必要的保护。由于变频器系统的保护信号比较多，并且保护方式也不尽相同，在本设计中主要考虑的保护信号有：过流、过压、欠压和过热。在这4种典型故障情况下，子cpu将封锁其输出的全部npwm触发信号，同时向主cpu发出必要的信息，使其能够对发生的情况做出必要的响应和处理，并通过人机界面显示出故障情况。主控dsp主要负责对给定信号以及反馈信号的采样、实时计算、v/f查表求值、pi算法控制等等，并且通过数据和地址总线以及串行通讯接口与人机接口系统相连，从而完成信息的接收和显示。同时它还要对由子系统发送的信息进行分析和处理，监测系统的运行状况。同时，主控芯片将对电机回路进行必要的保护和处理。这样可以更加充分地发挥dsp处理器的强大的运算和实时处理能力。

主控芯片与从控芯片通过控制器局域网（can）相互连接。从而完成相互之间的一些必要的信息和数据的传送。在本系统中涉及到的需要传送的信息和数据主要有：调制频率信号、调制深度系数、比较输出控制字、保护中断信息以及初始化设定值信息等等。

采用这种控制电路，既保证了系统的功能实现和稳定运行，又有效地节约了设备成本，并且具有较强的功能扩展和升级能力。

4 结束语

与传统的高压变频器pwm功率单元相比，非pwm功率单元在输入、输出波形和控制性能等方面有了进一步的完善，在抗电网污染和抗电磁干扰方面更较之pwm功率单元更胜一筹，具有较高的市场应用价值。